CN111894331A - 一种热塑复合材料杆塔及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种热塑复合材料杆塔及其制备方法，包括芯体层，所述芯体层由若干个芯体单元环绕配合组成，所述芯体单元包括两侧的支撑层和设置在中间的中空芯层，若干个所述芯体单元朝背离杆塔中心线方向辐射状排列形成三明治环形柱状结构。本发明通过三明治环形状柱体结构的芯体层作为结构主体，有效保证了结构强度，并且成本较低；在保证杆塔强度的同时，具有优异的有耐腐蚀、绝缘性好以及重量轻等特点，大大提高了复合材料杆塔的普及性。

Description

一种热塑复合材料杆塔及其制备方法

技术领域

本发明涉及杆塔技术领域，具体涉及一种热塑复合材料杆塔及其制备方法。

背景技术

目前现代产业对供电可靠性、安全性、高效性的要求逐渐增高，电力负荷需求日渐增大，使得电力输电网络、电力行业面临越发严峻的考验，杆塔在输电线路中占据十分重要的位置，在整个线路工程中,其施工、运输、安装、维护都需消耗很大的人力物力。目前输电技术的不断进步，电压等级不断升高，输电线路对杆塔材料性能的要求也越来越高，传统输电线路杆塔存在质量大、安装成本高、易锈蚀、易开裂、寿命短等缺点，容易出现各种安全隐患。而复合材料杆塔质量轻，方便运输和安装、免维护或维护成本低、节省劳动力资源；能适应各种有机溶剂和腐蚀剂，所以复合材料杆塔特别适合用在沿海、强紫外线、潮湿、强紫外线地区、以及工业发达，酸雨多发地；以及良好的绝缘性，所以复合材料电杆适用于台风频繁、盐雾腐蚀严重的沿海地区；山区、海岛、沼泽地等运输欠方便的偏远地区、内陆盐渍地、冻隔循环严重的地区、雷击频发地区及酸雨多发地区、对透波性有特殊要求的军事驻地、雷达站、基站等场合、高寒地区，可以用于通信用信号塔，架空线路的输电杆塔、变压器台架及变电站支柱、路灯杆、监控杆、太阳能杆以及旗杆等诸多应用领域。

目前现有技术中出现的复合材料杆塔主要的产品制作工艺采用的是由内到外采用多层的玻璃纤维与聚氨酯或环氧树脂的固化产物，其整体制造成本较高，导致难以普及使用，并且抗压强度和抗弯曲强度性能难以满足台风频繁地区的要求。

因此，开发一种新型复合材料杆塔十分有必要。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本专利提供了一种热塑复合材料杆塔及其制备方法，该复合材料杆塔相较于现有复合材料杆塔成本更低，强度更高，重量更轻，并且同时具有耐腐蚀、绝缘性好等特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

第一方面，本发明公开了一种热塑复合材料杆塔，包括：

芯体层，所述芯体层由若干个芯体单元环绕配合组成，所述芯体单元包括两侧的支撑层和设置在中间的中空芯层，若干个所述芯体单元朝背离杆塔中心线方向辐射状排列形成三明治环形柱状结构。

通过采用上述方案，三明治环形柱状结构的芯体层作为结构主体，有效保证整体结构强度，同时内部的中空芯层大大降低结构重量，并降低了成本。

在上述方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

在本发明的某一个实施例中，所述支撑层包括支撑主体层，所述支撑主体层至少一侧设有支撑界面层；所述支撑主体层采用至少一层连续纤维增强热塑材料制造而成，所述支撑界面层采用至少一层连续纤维增强热塑材料、热塑树脂膜、铝板、不锈钢板或热固复合材料板制成。

通过采用上述方案，连续纤维增强热塑材料强度较高，易于热塑加工，便于制造。

在本发明的某一个实施例中，所述中空芯层的材料为热塑材料蜂窝芯板、热塑材料中空板、PET发泡材料、PP发泡材料或聚氨酯发泡材料。

在本发明的某一个实施例中，所述芯体层外缠绕有至少一圈箍紧扎带。

通过采用上述方案，箍紧扎带将内部的芯体层轧紧，提高结构强度。

进一步的，所述芯体层外缠绕有至少一层箍紧层，所述箍紧层的缠绕方向与杆塔柱体中心线呈15-90°角，且相邻所述箍紧层的缠绕方向相反。

通过采用上述方案，箍紧层将芯体层包裹箍紧，既保证结构强度，也起到保护芯体层作用；相邻箍紧层缠绕方向相反进一步提高强度。

进一步的，所述箍紧层包括中部的箍紧主体层和两侧的箍紧界面层；所述箍紧主体层采用至少一层连续纤维增强热塑材料制造而成，所述箍紧界面层采用至少一层连续纤维增强热塑材料或一层热塑树脂膜制成。

进一步的，相邻所述芯体单元侧面贴紧配合形成所述芯体层，所述芯体单元的外表面和内表面为弧面、平面和波纹板面中的一种或多种组合；所述芯体单元的两侧面为相匹配的平面或相匹配的曲面。

通过采用上述方案，相邻芯体单元贴紧形成完整的三明治环形柱状结构，有效提高整体结构强度。

进一步的，所述芯体单元一侧面设有凸棱，另一侧面设有与所述凸棱匹配的凹槽。

通过采用上述方案，相邻芯体单元贴紧面凸棱和凹槽相配合卡紧，保证定位准确，也有效提升了连接稳定性。

进一步的，所述杆塔两端设有端盖。

通过采用上述方案，端盖提高结构强度，也避免内部结构受到外部环境影响。

进一步的，杆塔最外侧由内至外依次设有加强膜层和抗紫外线膜层。

通过采用上述方案，加强膜提高结构抗弯强度，抗紫外线膜层避免杆塔内部受到外部紫外线影响。

本发明中的连续纤维增强热塑材料是由热塑树脂材料和增强纤维材料复合得到，其中热塑树脂材料可以是聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯、尼龙6等其他热塑树脂材料；增强纤维材料可以是玻璃纤维，碳纤维，芳纶纤维以及其它材料纤维。

第二方面，本发明公开了一种热塑复合材料杆塔的制备方法，包括如下步骤：

S1采用连续纤维增强热塑材料制成支撑层，通过热复合工艺将支撑层与中空芯层复合制得复合板，其中中空芯层为热塑材料蜂窝芯板、热塑材料中空板、PET发泡材料、PP发泡材料或聚氨酯发泡材料；

S2按照环形柱体展开扇形平面的几何原理，对复合板表面进行分段并划线确定多余部分的位置轨迹；

S3：按照划线位置轨迹，采用热压成型工艺热熔多余部分或者采用切割工艺切割多余部分，得到一侧面均匀开设有坡口槽的扇形平面复合板；

S4:在扇形平面复合板一侧边开设插槽，另一侧边设置与插槽匹配的插块；

S5：将扇形平面复合板朝开设有坡口槽一侧面进行折叠翻卷，采用热熔焊接或涂胶工艺将插块插入插槽内固定形成搭接结构，得到芯体层；

S6：采用热熔连接工艺或涂胶工艺，以芯体层的中心线为旋转轴，以旋转的方式将箍紧层缠绕在芯体层外侧，得到热塑复合材料杆塔。

步骤S2中的按照环形柱体展开扇形平面的几何原理对复合板表面进行分段是指根据几何原理确定复合板卷绕成型呈环形柱体时的多余部分，并将多余部分标定；可采用切割方法切掉多余部分，也可以采用热压成型加热融化方法融化多余部分，其中加热融化时多余部分的两侧支撑层和内侧中空芯层由于热塑特性被融化粘合两侧的芯体单元，可有效提高整体结构强度。

步骤S4中插块的设置方法可以是黏合、热复合，或者在步骤S3过程中预留插块结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过三明治圆锥状结构的芯体层作为结构主体，箍紧层在外侧将芯体层箍紧，有效保证了结构强度，并且成本较低；

2、本发明芯体单元的支撑层和箍紧层均为连续纤维增强热塑材料，强度较高，并且便于成型制造，整体成本很低，在保证杆塔强度的同时，具有优异的有耐腐蚀、绝缘性好等特点，大大提高了复合材料杆塔的普及性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明的实施例一的芯体层和箍紧层的结构示意图。

图2是本发明的实施例一的杆塔的剖视结构示意图。

图3是本发明的实施例一的芯体层的展开结构示意图。

图4是本发明的实施例三的芯体层和箍紧层的结构示意图。

图5是本发明的实施例三的芯体层的展开结构示意图。

图6是本发明的实施例四的杆塔的结构示意图。

图7是图6的剖视结构示意图。

图中所示：

1、芯体层；101、芯体单元；1011、支撑层；1012、中空芯层；1013、凸棱；1014、凹槽；1015、插槽；1016、插块；

2、箍紧扎带；

3、箍紧层；

4、端盖；

5、加强膜层；

6、抗紫外线膜层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例一：

如图1至3所示，本实施例公开了一种热塑复合材料杆塔，包括芯体层1，芯体层1由二十个芯体单元101环绕配合组成，芯体单元101包括两侧的支撑层1011和设置在中间的中空芯层1012，二十个芯体单元101朝背离杆塔中心线方向辐射状排列形成三明治环形状柱体结构。

其中支撑层1011包括中部的支撑主体层和两侧的支撑界面层(图中未示出)；支撑主体层采用一层连续纤维增强热塑材料制造而成，支撑界面层采用一层连续纤维增强热塑材料制造而成。

连续纤维增强热塑材料强度较高，易于热塑加工，便于制造。

中空芯层1012的材料为热塑材料蜂窝芯板。

芯体单元101的横截面为等腰梯形。相邻芯体单元101侧面贴紧配合形成芯体层1，芯体单元101的外表面和内表面均为弧面；芯体单元101的两侧面为相匹配的平面或相匹配的曲面。

相邻芯体单元101贴紧形成完整的环形柱体三明治结构，有效提高整体结构强度。

芯体层1外侧缠绕有两层箍紧层3。

箍紧层3的缠绕方向与杆塔柱体中心线呈30度角，且两层箍紧层3的缠绕方向相反。

箍紧层3包括中部的箍紧主体层和两侧的箍紧界面层(图中未示出)；箍紧主体层采用一层连续纤维增强热塑材料制造而成，箍紧界面层采用一层连续纤维增强热塑材料制成。

杆塔两端设有端盖4，端盖4可以采用热塑复合材料或热固复合材料或金属材料制品或非金属材料制品或不同材料组合制成。

箍紧层3外侧由内至外依次设置有加强膜层5和抗紫外线膜层6，作为本领域的常用技术手段加强膜层5可以为铝塑膜等强度较高的金属膜或非金属膜，抗紫外线膜6可以是玻璃膜也可以是塑料薄膜等，均为领域的常用技术手段，在此不再赘述。

本实施例中的连续纤维增强热塑材料是聚丙烯和碳纤维的复合材料；可以预见其他热塑树脂材料和增强纤维材料也可以适用与本实施例中，例如对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯、尼龙6、玻璃纤维、芳纶纤维等。

本实施例的杆塔的制备方法包括如下步骤：

S1采用连续纤维增强热塑材料制成支撑层1011，通过热复合工艺将支撑层1011与中空芯层1012复合制得复合板，其中中空芯层1012为热塑材料蜂窝芯板、热塑材料中空板、PET发泡材料、PP发泡材料或聚氨酯发泡材料；

S2按照环形柱体展开扇形平面的几何原理，对复合板表面进行分段并确定多余部分的位置轨迹；

S3：采用热压成型工艺按照位置轨迹对多余部分进行热熔，得到一侧面均匀设有坡口槽的扇形平面复合板；

S4:在扇形平面复合板一侧边开设插槽1015，另一侧边切割成与插槽匹配的插块1016；

S5：将扇形平面复合板朝开设有坡口槽一侧面翻卷，采用热熔焊接或涂胶工艺将插块插入插槽内固定形成搭接结构，得到芯体层1；

S6：采用热熔连接工艺，以芯体层1的中心线为旋转轴，以旋转的方式将箍紧层3缠绕在芯体层外侧；

S7：依次黏合加强膜层5和抗紫外线膜层6。

步骤S3中热压成型时，多余部分的两侧支撑层1011和内侧中空芯层1012由于热塑特性被融化粘合两侧的芯体单元101，可有效提高整体结构强度。

步骤S4中插块的设置方法可以是黏合、热复合，或者在步骤S3过程中预留插块结构。

实施例二：

本实施例的复合材料杆塔结构与实施例一相同，不同之处在于本实施例的复合材料杆塔的制备方法与实施例一不同，具体如下：

本实施例的杆塔的制备方法包括如下步骤：

S1采用连续纤维增强热塑材料制成支撑层1011，通过热复合工艺将支撑层1011与中空芯层1012复合制得复合板，其中中空芯层1012为热塑材料蜂窝芯板、热塑材料中空板、PET发泡材料、PP发泡材料或聚氨酯发泡材料；

S2按照环形柱体展开扇形平面的几何原理，对复合板表面进行分段并确定多余部分的位置轨迹；

S3：采用切割工艺按照位置轨迹切割多余部分，得到一侧面均匀设有坡口槽的扇形平面复合板；

S4:在扇形平面复合板一侧边开设插槽1015，另一侧边切割成与插槽匹配的插块1016；

S5：将扇形平面复合板朝开设有坡口槽一侧面翻卷，采用热熔焊接或涂胶工艺将插块插入插槽内固定形成搭接结构，得到芯体层1；

S6：采用热熔连接工艺，以芯体层1的中心线为旋转轴，以旋转的方式将箍紧层3缠绕在芯体层外侧，得到热塑复合材料杆塔；

S7：依次黏合加强膜层和抗紫外线膜层。

本实施例采用切割方法将多余部分切割，从而能够翻卷形成整体的三明治环形柱体结构。

实施例三：

如图4和图5所示，本实施例的复合材料杆塔的结构与实施例一基本相同，不同之处在于本实施例中芯体单元101一侧面设有凸棱1013，另一侧面设有与凸棱1013匹配的凹槽1014。相邻芯体单元101贴紧面凸棱1013和凹槽1014相配合卡紧，保证定位准确，也有效提升了连接稳定性。

实施例四：

如图6和图7所示，本实施例公开了一种热塑复合材料杆塔，包括芯体层1，芯体层1由二十个芯体单元101环绕配合组成，芯体单元101包括两侧的支撑层1011和设置在中间的中空芯层1012，二十个芯体单元101朝背离杆塔中心线方向辐射状排列形成三明治环形状柱体结构。

其中支撑层1011包括中部的支撑主体层和两侧的支撑界面层(图中未示出)；支撑主体层采用一层连续纤维增强热塑材料制造而成，支撑界面层采用一层连续纤维增强热塑材料制造而成。

连续纤维增强热塑材料强度较高，易于热塑加工，便于制造。

中空芯层1012的材料为热塑材料蜂窝芯板。

芯体单元101的横截面为等腰梯形。相邻芯体单元101侧面贴紧配合形成芯体层1，芯体单元101的外表面和内表面均为弧面；芯体单元101的两侧面为相匹配的平面或相匹配的曲面。

相邻芯体单元101贴紧形成完整的环形柱体三明治结构，有效提高整体结构强度。

芯体层1外表面依次设有加强膜层5和抗紫外线膜层6。

芯体层1外缠绕有三圈箍紧扎带2，三圈箍紧扎带2分别设置在芯体层1外周面的上中下三处。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (11)

1.一种热塑复合材料杆塔，其特征在于，包括：

芯体层，所述芯体层由若干个芯体单元环绕配合组成，所述芯体单元包括两侧的支撑层和设置在中间的中空芯层，若干个所述芯体单元朝背离杆塔中心线方向辐射状排列形成三明治环形柱状结构。

2.根据权利要求1所述的热塑复合材料杆塔，其特征在于，所述支撑层包括支撑主体层，所述支撑主体层至少一侧设有支撑界面层；所述支撑主体层采用至少一层连续纤维增强热塑材料制造而成，所述支撑界面层采用至少一层连续纤维增强热塑材料、热塑树脂膜、铝板、不锈钢板或热固复合材料板制成。

3.根据权利要求1所述的热塑复合材料杆塔，其特征在于，所述中空芯层的材料为热塑材料蜂窝芯板、热塑材料中空板、PET发泡材料、PP发泡材料或聚氨酯发泡材料。

4.根据权利要求1所述的热塑复合材料杆塔，其特征在于，所述芯体层外缠绕有至少一圈箍紧扎带。

5.根据权利要求1所述的热塑复合材料杆塔，其特征在于，所述芯体层外缠绕有至少一层箍紧层，所述箍紧层的缠绕方向与杆塔柱体中心线呈15-90°角，且相邻所述箍紧层的缠绕方向相反。

6.根据权利要求5所述的热塑复合材料杆塔，其特征在于，所述箍紧层包括中部的箍紧主体层和两侧的箍紧界面层；所述箍紧主体层采用至少一层连续纤维增强热塑材料制造而成，所述箍紧界面层采用至少一层连续纤维增强热塑材料或一层热塑树脂膜制成。

7.根据权利要求1至6任一所述的热塑复合材料杆塔，其特征在于，相邻所述芯体单元侧面贴紧配合形成所述芯体层，所述芯体单元的外表面和内表面为弧面、平面和波纹板面中的一种或多种组合；所述芯体单元的两侧面为相匹配的平面或相匹配的曲面。

8.根据权利要求7所述的热塑复合材料杆塔，其特征在于，所述芯体单元一侧面设有凸棱，另一侧面设有与所述凸棱匹配的凹槽。

9.根据权利要求1所述的热塑复合材料杆塔，其特征在于，所述杆塔两端设有端盖。

10.根据权利要求1所述的热塑复合材料杆塔，其特征在于，杆塔最外侧由内至外依次设有加强膜层和抗紫外线膜层。

11.如权利要求7所述的热塑复合材料杆塔的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1采用连续纤维增强热塑材料制成支撑层，通过热复合工艺将支撑层与中空芯层复合制得复合板，其中中空芯层为热塑材料蜂窝芯板、热塑材料中空板、PET发泡材料、PP发泡材料或聚氨酯发泡材料；

S2按照环形柱体展开扇形平面的几何原理，对复合板表面进行分段并划线确定多余部分的位置轨迹；

S3：按照划线位置轨迹，采用热压成型工艺热熔多余部分或者采用切割工艺切割多余部分，得到一侧面均匀开设有坡口槽的扇形平面复合板；

S4:在扇形平面复合板一侧边开设插槽，另一侧边设置与插槽匹配的插块；

S5：将扇形平面复合板朝开设有坡口槽一侧面进行折叠翻卷，采用热熔焊接或涂胶工艺将插块插入插槽内固定形成搭接结构，得到芯体层；

S6：采用热熔连接工艺或涂胶工艺，以芯体层的中心线为旋转轴，以旋转的方式将箍紧层缠绕在芯体层外侧，得到热塑复合材料杆塔。

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